Un modelo matemático conecta la evolución de las gallinas, los peces y las ranas
Una instantánea del desarrollo de embriones de polluelos gemelos. Las rayas amarillas marcan las futuras médulas espinales. / Grupo Mattia Serra / UC San Diego.
UCSD/T21
Una investigación ha comprobado en peces, ranas y gallinas que la autoorganización multicelular puede haber evolucionado en todas las especies de vertebrados siguiendo los mismos principios físicos. Estos patrones de autoorganización a escala embrionaria pueden impulsar el diseño de biomateriales y la medicina regenerativa para ayudar a los humanos a vivir vidas más largas y saludables.
Una de las preguntas básicas más duraderas de la vida es: ¿Cómo sucede? Por ejemplo, en el desarrollo humano, ¿cómo se autoorganizan las células en piel, músculos o huesos? ¿Cómo forman un cerebro, un dedo, una columna?
Aunque las respuestas a estas preguntas siguen siendo desconocidas, una línea de investigación científica radica en comprender la gastrulación, la etapa en la que las células embrionarias se desarrollan desde una sola capa hasta una estructura multidimensional con un eje corporal principal. En los humanos, la gastrulación ocurre alrededor de 14 días después de la concepción.
No es posible estudiar embriones humanos en esta etapa, por lo que investigadores de la Universidad de California en San Diego, la Universidad de Dundee (Reino Unido) y la Universidad de Harvard pudieron estudiar la gastrulación en embriones de pollo, que tienen muchas similitudes con los embriones humanos en esta etapa.
Esta investigación se llevó a cabo a través de lo que Mattia Serra, profesor asistente de Física de UC San Diego, llama un circuito ideal: una combinación interdisciplinaria de ida y vuelta de ciencia teórica y experimental. Mattia es un teórico interesado en encontrar patrones emergentes en sistemas biofísicos complejos.
Modelo matemático
En este trabajo, Serra y su equipo construyeron un modelo matemático basado en los aportes de los biólogos de la Universidad de Dundee. Este modelo pudo predecir con precisión los flujos de gastrulación (el movimiento de decenas de miles de células en todo el embrión de un pollo) observados bajo un microscopio. Esta es la primera vez que un modelo matemático autoorganizado logra reproducir estos flujos en embriones de pollo.
Luego, los biólogos querían ver si el modelo no sólo podía replicar lo que sabían experimentalmente que era cierto, sino también predecir lo que podría suceder en diferentes condiciones. El equipo de Serra "perturbó" el modelo; en otras palabras, cambió las condiciones iniciales o los parámetros actuales.
Los resultados fueron sorprendentes: el modelo generó flujos celulares que no se observaron naturalmente en el polluelo, pero sí en otras dos especies de vertebrados: la rana y el pez.
Mismos principios para todas las especies
Para garantizar que estos resultados no fueran una fantasía matemática del modelo, los colaboradores de biología imitaron las perturbaciones exactas del modelo en el laboratorio con el embrión del pollo. Sorprendentemente, estos embriones de pollo manipulados también mostraron flujos de gastrulación que se observan naturalmente en peces y ranas.
Estos hallazgos, publicados en Science Advances, sugieren que los mismos principios físicos que están detrás de la autoorganización multicelular pueden haber evolucionado en todas las especies de vertebrados.
“Los peces, las ranas y los polluelos viven en ambientes diferentes, por lo que con el tiempo la presión evolutiva puede haber cambiado los parámetros y las condiciones iniciales del desarrollo embrionario”, afirma Serra. "Pero algunos de los principios básicos de autoorganización, al menos en esta etapa inicial de la gastrulación, pueden ser los mismos en los tres".
Patrones embrionarios
Serra y sus colaboradores están estudiando ahora otros mecanismos que dan lugar a patrones de autoorganización a escala embrionaria. Esperan que esta investigación pueda avanzar en el diseño de biomateriales e impulsar la medicina regenerativa para ayudar a los humanos a vivir vidas más largas y saludables.
“El cuerpo humano es el sistema dinámico más complejo que existe”, afirma. “Hay tantas cuestiones biológicas, físicas y matemáticas interesantes sobre nuestros cuerpos que es hermoso contemplarlos. Los descubrimientos que podemos hacer no tienen fin”.
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Referencia
A mechanochemical model recapitulates distinct vertebrate gastrulation modes. Mattia Serra et al. Science Advances, 6 Dec 2023, Vol 9, Issue 49. DOI: 10.1126/sciadv.adh8152
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